一种动物行为高速视频采集及脑功能刺激装置

1.本发明属于全自动化产品领域，涉及一种动物行为高速视频采集及脑功能刺激装置。


背景技术：

2.现有的any-maze的动物行为分析系统，在采集摄像机图像的时候，只能做到10-30帧/秒，因为其整个的存储系统和通信系统都无法支持高速的、大流量的图像数据处理；现有的master-8可编程刺激器，只能产生电刺激，无法与视频采集联动，也无法分析实验动物的行为；现有的spike2(cambridge electronic design)的生命科学数据采集与分析系统，只能产生电刺激，无法与视频采集联动，也无法分析实验动物的行为；现有的alphaomega多通道脑神经元电生理仪器，只能产生电刺激，无法与视频采集联动，也无法分析实验动物的行为；现有的smart v3.0动物行为学记录分析系统，无法与电刺激联动，且采集的图像帧率也不能满足高速的要求；
3.(1)目前的神经生物学实验装置，无法在毫秒级的层次上，满足对实验动物同时进行视频采集和电刺激，实际操作中，大多是手动同时操作摄像机和电刺激的启动开关，时间误差在秒级别；
4.(2)目前的神经生物学实验装置，对实验动物的视频采集，只能做到10帧/秒，无法做到高速采集，因此无法准确的反映动物在实验中的细节动作。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提供本发明采用的技术方案是：一种动物行为高速视频采集及脑功能刺激装置，包括
6.对实验目标动物的神经区域进行放电刺激的刺激器；
7.对实验目标动物的受电刺激的行为进行视频录制的网络相机；
8.对所述刺激器的放电幅度和频率进行调整的上位机；所述上位机对所述刺激器在实验目标动物的神经区域进行放电刺激时进行控制的同时，启动所述网络相机对实验目标动物的受电刺激的行为进行视频录制，并对录制的视频进行存储。
9.进一步地：所述网络相机采用basler-aca720-290gmnpe。
10.进一步地：所述上位机包括硬盘，所述硬盘采用的型号是闪迪sdssde61-2t00，连续写速1000mb/smb/s。
11.进一步地：所述刺激器包括包括植入到实验目标动物头部的刺激模块；
12.接收所述上位机传送的刺激电平的频率和占空比，按照指定的参数对各个gpio通道进行高低电平输出的控制的控制器，
13.将所述控制器的gpio所输出的高低电平进行电压的转换的电压电平转换模块。
14.进一步地：所述控制器采用的芯片型号是stm32f103cbt6a；
15.所述双向电压电平转换器采用的芯片型号是yf08e。
16.进一步地：所述网络相机与所述上位机通过千兆网卡相连接，所述刺激器和上位机通过usb接口相连。
17.进一步地：所述上位机对所述刺激器在实验目标动物的神经区域进行放电刺激时进行控制的同时，启动所述网络相机对实验目标动物的受电刺激的行为进行视频录制，并对录制的视频进行存储的步骤如下：
18.进入多线程模式，所述多线程包括线程i和线程ii；
19.同时启动线程i和线程ii；
20.在线程i上启动所述网络相机对实验目标动物的受电刺激的行为进行视频录制,从相机采集当前图像帧,并将图像帧保存到硬盘指定路径；
21.在线程ii上启动在所述刺激器对实验目标动物对神经区域的进行放电刺激。
22.进一步地：所述网络相机对实验目标动物的受电刺激的行为进行视频录制的过程如下：
23.检查所述相机与千兆网卡是否连接，当所述相机与千兆网卡已经连接，则顺序进行,当所述相机与千兆网卡未连接，则进行所述相机与千兆网卡的连接；
24.当所述相机的拍摄录制时长t≤最大拍摄时长tmax,则进行继续拍摄录制；当拍摄录制时长t》最大拍摄时长tmax,则结束拍摄录制。
25.进一步地：所述上位机对所述刺激器在实验目标动物的神经区域进行放电刺激时进行控制的过程如下：
26.s21:对所述刺激器各个通道的电平转换频率进行设置；
27.s22:对所述刺激器各个通道的高低电平转换的占空比进行设置；
28.s23:采用usb接口模拟串口；
29.s24:通过usb接口连接控制器；
30.325:检查刺激器与所述上位机是否连接，当所述刺激器与所述上位机已经连接，则进行s26，当所述所述刺激器与所述上位机未连接，则进行所述刺激器与上位机的连接；
31.s26:当所述刺激器的进行电刺激的时长t≤最大电刺激时长tmax，则继续进行电刺激，则进行s27；当所述刺激器的进行电刺激的时长t》最大电刺激时长tmax，则结束电刺激。
32.s27:通过控制器控制各个gpio通道，在高电平和低电平之间转换；
33.s28:每个gpio通道，在完成一个周期的高低电平输出后，返回s27。
34.本发明提供的一种动物行为高速视频采集及脑功能刺激装置，具有以下优点：面向动物神经生物学实验，以120帧/秒的速度采集实验动物的行为，同时以毫秒级的精度控制电刺激与视频采集同时开始，并辅以每秒打一个标记的形式，来对数据进行同步。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1是该装置总体结构图；
37.图2是刺激器的电路原理图；
38.图3是上位机同时启动相机控制和刺激器控制的流程图；
39.图4是上位机控制相机的流程图；
40.图5是上位机控制刺激器的流程图。
具体实施方式
41.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
42.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
44.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
45.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
46.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
47.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
48.图1是该装置总体结构图；
49.一种动物行为高速视频采集及脑功能刺激装置，包括刺激器、网络相机和上位机；
50.所述刺激器实现实验目标动物的神经区域进行放电刺激；所述实验动物可以小鼠等小动物；
51.所述网络相机对实验目标动物的受电刺激的行为进行视频录制的；
52.所述上位机对所述刺激器的放电幅度和频率进行调整；所述上位机对所述刺激器在实验目标动物的神经区域进行放电刺激时进行控制的同时，启动所述网络相机对实验目标动物的受电刺激的行为进行视频录制，并对录制的视频进行存储。
53.进一步地：所述网络相机采用basler-aca720-290gmnpe，像素位深10/12bits，最高分辨率720
×
540，最高帧率291fps，接口gige，外壳尺寸42mm
×
29mm
×
29mm，通过千兆路由器、千兆网线和上位机进行通讯。
54.所述网络相机和上位机通过千兆网卡相连接；
55.所述刺激器和上位机通过usb接口相连。
56.所述网络相机正对实验中需要进行行为分析的目标动物，进行拍摄。
57.所述上位机包括硬盘，所述硬盘采用的型号是闪迪sdssde61-2t00，连续写速1000mb/smb/s。
58.所述刺激器包括包括植入到实验目标动物头部的刺激模块；所述刺激模块可以采用电极或金针或银针进行；
59.接收所述上位机传送的刺激电平的频率和占空比，按照指定的参数对各个gpio通道进行高低电平输出的控制的控制器，
60.将所述控制器的gpio所输出的高低电平进行电压的转换的电压电平转换模块。其中：低电平(0伏)不做转换，高电平(3.3伏)转换为5伏。
61.进一步地：
62.所述控制器采用的芯片型号是stm32f103cbt6a；
63.所述双向电压电平转换器采用的芯片型号是yf08e。图2是刺激器的电路原理图；
64.所述刺激器可以提供16个通道5伏或0伏的高低电平刺激，并且可以上位机对所述刺激器在实验目标动物的神经区域进行放电刺激时进行控制的过程，来改变输出高低电平刺激的频率，以及高低电平的占空比。
65.所述控制器控制16个gpio通道，每个gpio通道负责产生一路的电平刺激，控制的过程就是使得gpio的输出在高电平(5伏)和低电平(0伏)之间转换，转换的过程涉及到两个关键参数，分别是：转换周期，占空比。因为高低电平是以周期信号出现，即：一高一低为一个周期，所以转换周期表明了高低电平的在一高一低过程中所需要的时间。占空比表明了，在这个周期中，高电平所占的时间的百分比。
66.上位机运行一个python语言编写的界面，在界面中可以输入周期和占空比，从而实现对输出刺激电平的控制；
67.图3是上位机同时启动相机控制和刺激器控制的流程图；
68.所述上位机对所述刺激器在实验目标动物的神经区域进行放电刺激时进行控制的同时，启动所述网络相机对实验目标动物的受电刺激的行为进行视频录制，并对录制的视频进行存储的步骤如下：
69.进入多线程模式，所述多线程包括线程i和线程ii；
70.同时启动线程i和线程ii；
71.在线程i上启动所述网络相机对实验目标动物的受电刺激的行为进行视频录制,从相机采集当前图像帧,并将图像帧保存到硬盘指定路径；
72.将一个图像帧保存之后，本次循环就完成了，具体实现是通过python编程中的while语句，循环结束后，自动返回循环的第一行代码，再次执行循环。
73.在线程ii上启动在所述刺激器对实验目标动物对神经区域的进行放电刺激。
74.图4是上位机控制相机的流程图；
75.进一步地：所述网络相机对实验目标动物的受电刺激的行为进行视频录制的过程如下：
76.s11首先通过千兆网卡连接相机:检查所述相机与千兆网卡是否连接，当所述相机与千兆网卡已经连接，则进行s12,当所述相机与千兆网卡未连接，则进行所述相机与千兆网卡的连接；
77.所述通过basler相机提供的sdk接口pylon.instantcamera来连接相机，要求上位机和basler相机在局域网中的ip地址在同一网段通过basler相机提供的sdk接口pylon.instantcamera来连接相机，要求上位机和basler相机在局域网中的ip地址在同一网段；
78.s12:当所述相机的拍摄录制时长t≤最大拍摄时长t
max
,则进行继续拍摄录制；当拍摄录制时长t》最大拍摄时长t
max
,则结束拍摄录制。
79.获取相机得到的每帧图像数据，并将其通过千兆网卡传输、保存到上位机硬盘的指定位置。
80.选择的千兆网卡、千兆网线可以保证相机数据的高速传输，所以可以满足高速的视频采集，理论上的图像保存速度可以达到291帧/秒。
81.图5是上位机控制刺激器的流程图；
82.进一步地，所述上位机对所述刺激器在实验目标动物的神经区域进行放电刺激时进行控制的过程如下：
83.s21:对所述刺激器各个通道的电平转换频率进行设置；
84.s22:对所述刺激器各个通道的高低电平转换的占空比进行设置；
85.s23:采用usb接口模块模拟串口；
86.s24:通过usb接口模块连接控制器；
87.325:检查刺激器与所述上位机是否连接，当所述刺激器与所述上位机已经连接，则进行s26，当所述所述刺激器与所述上位机未连接，则进行所述刺激器与上位机的连接；
88.所述检查刺激器与所述上位机是否连接通过ch340驱动将usb接口模拟成串口，将刺激器通过usb接口连接到上位机，通过串口轮询的形式，查看是否成功连接刺激器。
89.s26:当所述刺激器的进行电刺激的时长t≤最大电刺激时长tmax，则继续进行电刺激，则进行s27；当所述刺激器的进行电刺激的时长t》最大电刺激时长tmax，则结束电刺
激。
90.s27:通过控制器控制各个gpio通道，在高电平和低电平之间转换；
91.所述控制器控制16个gpio通道，每个gpio通道负责产生一路的电平刺激，控制的过程就是使得gpio的输出在高电平(5伏)和低电平(0伏)之间转换，转换的过程涉及到两个关键参数，分别是：转换周期，占空比。因为高低电平是以周期信号出现，即：一高一低为一个周期，所以转换周期表明了高低电平的在一高一低过程中所需要的时间。占空比表明了，在这个周期中，高电平所占的时间的百分比。
92.各个通道指stm芯片上的gpio通道，电平转换指gpio通道输出的高电平(5伏)和低电平(0伏)，高低之间的转换，根据周期和占空比来运算得到，运算公式是：
93.每周期中高电平持续时间＝周期
×
占空比；
94.每周期中低电平持续时间＝周期
×
(1-占空比)；
95.s28:每个gpio通道，在完成一个周期的高低电平输出后，返回s27。
96.每个gpio通道，在完成一个周期的高低电平输出后，就相当于完成一个循环。通过软件控制，使用while语句，来控制每个周期完成之后，再次回到循环的最开始继续执行。
97.通过上述过程，可以实现16个通道毫秒级的电信号刺激释放。
98.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。